爆風荷重応答解析
爆風荷重応答の理論基礎
爆風荷重とは
先生、爆風荷重って何ですか？
爆発（化学爆薬、ガス爆発等）で発生する衝撃波（ブラスト波）が構造に作用する圧力荷重だ。ピーク圧力→指数減衰→負圧という特徴的な時間波形を持つ。
Friedlander波形
爆風圧力の標準的な近似式（修正Friedlander式）：
- $P_s$ — ピーク過圧
- $t_d$ — 正圧持続時間
- $b$ — 減衰パラメータ
- $p_0$ — 大気圧
指数的に減衰しながら負圧にも転じるんですね。
正圧フェーズ（押す力）の後に負圧フェーズ（引く力）がある。建物の壁に対して正圧（外向き）→負圧（内向き）の繰り返し。
爆風パラメータの推定
ConWep（Conventional Weapons Effects Program）のKingery-Bulmash式で爆風パラメータを推定：
$Z$ は換算距離（m/kg^{1/3}）、$R$ は爆源からの距離、$W$ はTNT等価量。$Z$ から $P_s, t_d, I$ を推定。
爆薬量と距離だけでパラメータが決まるんですか。
「スケーリング則」（Hopkinson-Cranz則）。同じ$Z$なら同じ圧力波形。TNT 1 kgで10 mとTNT 1000 kgで100 mは同じ$Z$で同じ過圧。
FEMでの設定
2つのアプローチ：
1. 圧力時刻歴を直接入力 — Friedlander式の圧力を構造面に時間関数として与える。最もシンプル
2. ALE法（Arbitrary Lagrangian-Eulerian） — 爆風の伝播をオイラーメッシュで、構造の変形をラグランジュメッシュで同時に解く。反射・回折を含む
ALE法のほうが正確？
ALE法は爆風の反射、回折、重ね合わせを自動で計算するから正確。ただし空気の3Dメッシュが必要で計算コストが大きい。単純な形状なら圧力直接入力で十分。
まとめ
要点：
- Friedlander波形 — ピーク過圧→指数減衰→負圧
- ConWep（Kingery-Bulmash式）でパラメータ推定 — $Z = R/W^{1/3}$
- 圧力直接入力 or ALE法 — 複雑さに応じて選択
- LS-DYNAの*LOAD_BLAST_ENHANCED — ConWepを自動計算
爆発圧力は距離の3乗で減衰
TNT等価換算スケール則（Hopkinson-Cranz則）によれば、爆発の最大過圧は距離Rとチャージ質量Wの1/3乗の比Z＝R/W^(1/3)で整理され、Z＝1のとき最大過圧は約0.3MPaに達する。1944年のBrode式はその後Kingery-Bulmashデータベース（米軍TM5-855-1）として精緻化され、現在もANSYS AutodynのATBLAST機能に採用されている。
爆風荷重応答の数値計算手法
LS-DYNAでの爆風解析
LS-DYNAには爆風専用の機能がある：
```
*LOAD_BLAST_ENHANCED
1, 100., 10., 0., 0., 0., 1, 1.0 $ W=100kg TNT, R=10m
```
構造の各面にConWepの爆風圧力を自動計算して作用させる。反射角度も自動考慮。
ConWepが組み込まれているのは便利ですね。
*LOAD_BLAST_ENHANCEDは爆薬量、爆源位置、構造面の向きから自動的に反射圧力を計算する。ALE法より遥かに軽量で、多くの問題に十分な精度。
ALE法の設定
1. 空気のオイラーメッシュを構造周辺に配置
2. 爆源を*INITIAL_DETONATION等で定義
3. 構造をラグランジュメッシュで定義
4. ALE連成（*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID）で流体-構造を接続
まとめ
ALE法が爆風‐構造連成を解く
爆発解析ではALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）法が主流で、空気・爆薬をEulerian格子で扱い、構造物をLagrangian要素で扱う。LS-DYNAのALE多物質コードは1990年代にLLNL（Lawrence Livermore）で開発され、TNT1kgのフリーフィールド爆発を100万節点・5ms間シミュレートするのに現在のHPCで約30分を要する。
爆風荷重応答の実務適用
爆風解析の実務
防衛、石油化学プラント、テロ対策の構造設計で使われる。
適用例
| 適用 | 目的 |
|---|---|
| 防爆壁の設計 | 爆風の遮蔽。変形量を許容値以内に |
| 建物の耐爆設計 | ガラスの破壊、構造の応答 |
| 車両の耐爆性能 | IED（即席爆発装置）への耐性 |
| プラントの安全距離 | 爆発事故時の構造への影響 |
実務チェックリスト
UFC 3-340-02って何ですか？
米国国防総省の爆発荷重に対する構造設計マニュアル。ピーク圧力、持続時間、構造の許容変形を規定。防爆設計の世界標準。
防護設計の基準はUFC 4-010-01
米国防総省UFC（Unified Facilities Criteria）4-010-01は政府施設の爆発防護設計基準であり、スタンドオフ距離・構造応答限界が規定されている。2001年9.11以降に改訂された2012年版では、RCスラブのDuctility Ratio（μ）を10以下に抑えるよう要求し、検証に動的解析（SDOF又はFEM）の使用が明記されている。
爆風荷重応答のソフトウェア比較
爆風解析のツール
選定ガイド
爆発解析はLS-DYNAとAutodynが二強
爆発・衝撃解析市場ではLS-DYNA（Ansys）とANSYS Autodynが競合する。Autodynは1986年にCentury Dynamics社が開発、Ansysが2005年に買収。SPH・ALE・Lagrangeの混在解析で特に評価が高い。Abaqus/Explicitは軍需・防護分野では採用例が少ないが、自動車OEMでの爆発弁解析には広く使われており、CELカップリング機能が有効。
爆風荷重応答の先端研究
SPH法による爆風シミュレーション
近距離爆発では空気メッシュの変形が大きい。SPH法で空気を粒子として扱い、メッシュ歪みの問題を回避する研究が活発。
多物質ALE
爆薬→爆発生成ガス→空気→構造の多物質ALE法で爆発の全過程をシミュレーション。JWL状態方程式で爆薬の膨張を記述。
TBI（外傷性脳損傷）のシミュレーション
爆風が人体（特に脳）に与える損傷を人体FEMモデル（HBM）でシミュレーション。爆風→頭蓋骨の変形→脳への圧力伝播→TBIの連鎖を予測。
まとめ
CONWEP関数で爆風荷重を高速計算
LS-DYNAの*LOAD_BLAST_ENHANCEDカードはCONWEP（Conventional Weapons Effects）データベースを参照し、ALE流体解析なしで爆風圧を構造面に直接マッピングする。計算コストはALE法の1/10以下だが、近距離（Z＜0.5 m/kg^(1/3)）や構造-爆発相互作用が大きい場合は誤差が増大するため、用途に応じた使い分けが重要。
爆風荷重応答のトラブル対応
ConWepの圧力がおかしい
ALE法で空気メッシュがおかしい
まとめ
負圧フェーズを無視した設計は危険
爆風圧は正圧フェーズの後に必ず負圧フェーズ（吸引圧）が生じる。ガラス窓が外向きに破壊される事故のほとんどはこの負圧（－0.01〜－0.05 MPa）が原因だが、簡易SDOF設計では無視されることが多い。AutodynやLS-DYNAのCONWEP実装ではデフォルトで負圧をカットしているため、*LOAD_BLAST_ENHANCEDのNEGATIVEフラグを明示的にONにする必要がある。
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